CN217562835U - 人工介质透镜天线及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域，公开了一种人工介质透镜天线及阵列天线，包括辐射源和分别设在其两侧的反射板及介质透镜；所述介质透镜为表面印制有辐射体的介质基板经卷压而成的椭圆柱体，其长轴垂直于所述辐射源的主辐射方向，所述椭圆柱体由内至外共卷制有n层，所述辐射体在所述介质基板上的分布规律为：由内至外每层上的辐射体的大小和排布密度递减。该人工介质透镜天线中介质透镜的介电常数可连续变化，配合天线馈源可提高某一方向的无线信号强度，并且能够简化介质透镜的制作工序以降低天线的制作成本。

Description

人工介质透镜天线及阵列天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体的，涉及一种人工介质透镜天线及阵列天线。

背景技术

在人流量较大的场所，如高铁站、地铁站等人员密集场所，为保障较佳的通信体验，需要天线能够实现高增益、宽角度的覆盖。介质透镜天线具有高增益、宽波束的优点，使得它在移动通信领域的应用日趋流行。同时对龙伯介质透镜的制作方法提出了更高的要求，即在保持原有性能的同时，还要求介质透镜的制作工艺更加简单，可操作性更强，一次性成品率更高，更加适用于大批量生产。

传统的龙伯球天线主要通过打孔和发泡两种工艺来制作，其过程耗时、繁琐且成品较重。而传统发泡方法制作的材料其介电常数很难超过1.4，如若继续提升介电常数，则材料的密度必然会变大，增加产品的重量，另外其介电常数还难以精确控制，影响电磁波的折射。龙伯透镜天线通常是由多层具有不同介电常数的材料包裹而成，其介电常数的变化是离散的，以模拟理想状态下的介电常数连续平滑变化。一般而言，包裹的材料层数越多，透镜天线越接近理想状态，然而这也相应的增加了层与层之间存在空气的概率。理论上，空气层的径向厚度大于入射电磁波波长的5％即可显著地使龙伯透镜天线性能下降。除此之外，增加层数还会相应加大制造难度和材料成本、模具成本以及制造周期。因此，现有技术通常把球体的层数限制在10层左右，所以介电常数连续平滑变化的程度有限。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种人工介质透镜天线，其介质透镜的介电常数可连续变化，配合天线馈源可提高某一方向的无线信号强度，并且能够简化介质透镜的制作工序以降低天线的制作成本。

为了实现上述目的，一方面，本实用新型提供一种人工介质透镜天线，包括辐射源和分别设在其两侧的反射板及介质透镜；所述介质透镜为表面印制有辐射体的介质基板经卷压而成的椭圆柱体，其长轴垂直于所述辐射源的主辐射方向，所述椭圆柱体由内至外共卷制有n层，所述辐射体在所述介质基板上的分布规律为：由内至外每层上的辐射体的大小和排布密度递减。

优选地，所述辐射源包括四个对称的振子臂形成的电偶极子和振子臂下方的磁偶极子。

优选地，所述振子臂为矩形环状结构。

优选地，所述振子臂的至少一个角部为圆弧状。

优选地，所述椭圆柱体的长短轴之比为1.25-2。

优选地，所述辐射体的外形尺寸为0.06λ-0.15λ，λ为辐射入所述介质透镜内的电磁波的波长。

优选地，所述辐射体为矩形环状结构。

优选地，所述介质透镜长轴的长度为2λ-2.5λ，λ为辐射入介质透镜内的电磁波的波长。

为了实现上述目的，另一方面，本实用新型提供一种阵列天线，包括：

固定架；两个以上的如上所述的人工介质透镜天线，所述人工介质透镜天线安装在所固定架上，且各个辐射源的主辐射方向不同。

根据上面的描述和实践可知，本实用新型所述的人工介质透镜天线采用了介质基板和辐射体卷压而成的椭圆柱状的介质透镜，每层上的辐射体的大小和排布密度由内至外递减，由于每一层的介电常数不同，相应地折射率亦不同，从而可以构建出折射率从1到2逐渐变化的介质透镜，具有较佳的电磁波折射效果。另外，椭圆柱状的介质透镜，有利于在垂直面获得较窄的波束宽度，能够较好地满足远距离传输、宽覆盖的要求。配合磁电偶极子结构形式的辐射源，可以实现某一方向稳定辐射、宽频的效果。此外，辐射源可采用成本较低的压铸工艺、介质透镜采用了操作简单的卷制工艺，可以提高天线的制作效率，从而降低天线的制作成本。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例中涉及的人工介质透镜天线的结构示意图。

图2为本实用新型的一个实施例中涉及的介质透镜的侧面示意图。

图3为本实用新型的一个实施例中涉及的介质透镜展开后的局部结构示意图。

图4为本实用新型的一个实施例中涉及的辐射源与反射板的结构示意图。

图5为本实用新型的一个实施例中涉及的人工介质透镜天线的S参数。

图6a-图6d为本实用新型的一个实施例中涉及的人工介质透镜天线在1.77GHz、1.9GHz、2.01GHz和2.6GHz频率时的辐射方向图。

图7a-图7d为本实用新型的一个实施例中涉及的人工介质透镜天线在1.77GHz、1.9GHz、2.01GHz和2.6GHz频率时的半功率波束宽度。

图8为本实用新型的一个实施例中涉及的人工介质透镜天线与普通馈源天线和理想龙伯透镜天线的增益对比图。

图9为本实用新型的一个实施例中涉及的阵列天线的结构示意图。

图中的附图标记为：

1、辐射源 2、反射板 3、介质透镜

4、介质基板 5、辐射体 6、支架

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象数量或次序的限制；术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在该实施例中公开了一种人工介质透镜天线，图1示出了该人工介质透镜天线的立体结构；图2示出了介质透镜3的侧面结构；图3示出了介质透镜3展开后的平面结构，因介质透镜3展开后长度较长，因此该图中仅示出了局部的平面结构；图4示出了辐射源1与反射板2的结构。

请参考图1至图4，在该实施例中，人工介质透镜天线包括：辐射源1、反射板2和介质透镜3。其中，辐射源1为磁电偶极子结构，包括四个对称的振子臂形成的电偶极子和振子臂下方的磁偶极子。如图4所示，磁偶极子为中空的柱状结构，一端固定在反射板2上，另一端连接电偶极子，馈线穿经磁偶极子与电偶极子相连。振子臂为矩形环状结构，可采用压铸工艺制作而成，能够实现稳定辐射、宽频的效果，其工作频段为1710MHz-2700MHz，驻波比可小于1.5。另外振子臂的至少一个角部设为圆弧状，可进一步提高该天线的阻抗匹配，实现宽频工作的有益效果。

介质透镜3设在辐射源1的顶端，且反射板2和介质透镜3设在辐射源1的最大辐射方向上，反射板2可将电磁波反射至介质透镜3一侧，再通过介质透镜3来改变电磁波的辐射方向，使电磁波波束更加集中，提高单个方向的无线信号强度，形成高增益、宽频的人工介质透镜天线。

该介质透镜3为表面印制有辐射体5的介质基板4经卷压而成的椭圆柱体，其长轴垂直于辐射源1的主辐射方向，该椭圆柱体由内至外共卷制有n层。辐射体5在介质基板4上的分布规律为：由内至外每层上的辐射体5的大小和排布密度递减。换言之，同一层上的辐射体5的大小和排布密度相同，且大于靠外一层上的辐射体5的大小和排布密度。由于每一层的介电常数不同，相应地折射率亦不同，从而可以构建出折射率从1到2逐渐平滑变化的介质透镜3。该介质透镜3的具体层数可依实际需求自行设定，在此不再赘述。

介质基板4的材质为珍珠棉或单面发泡棉，其厚度在2mm-5mm，既容易成型，还便于与辐射体5连接在一起，可提高介质透镜3的制作效率。

该介质透镜3为椭圆柱体，其短轴沿着图1中的竖直方向、长轴沿着图1中的水平方向，该设计有利于在竖直面获得较窄的波束宽度，能够较好地满足远距离传输、宽覆盖的要求。该椭圆柱体的长短轴之比为1.25-2，有利于获得较好的水平和垂直波束宽度。介质透镜3长轴的长度为2λ-2.5λ，λ为辐射入介质透镜3内的电磁波的波长，在该范围内，上述辐射源1的工作频段中高频部分与低频部分的平衡较好，超出该尺寸后，天线的高频段增益会急速衰减，影响使用。

介质透镜3采用椭圆柱体结构可以更好地收窄波瓣宽度、降低旁瓣水平，使电磁波沿着两个互相垂直的方向传播时，波瓣宽度在短轴所在的面达到较窄角度的效果，从而达到微调波瓣宽度的效果。另外，通过卷制工艺来制备介质透镜3，在一定程度上可以避免传统球状龙伯透镜复杂的工艺。传统的球状龙伯透镜，需要通过移动馈源才可实现波束扫描的效果，而本实施例中的人工介质透镜天线可通过介质透镜3交叉堆叠的方式即可实现波束扫描的效果。

辐射体5的外形尺寸为0.06λ-0.15λ，如图3所示，在该实施例中辐射体5为矩形的环状结构的金属片，其为非谐振结构，工作在非谐振的频点，因此工作时带宽比较宽，随电磁波频率变化的色散效应不明显。而且由于尺寸变化相对于发泡工艺更容易掌控，因此金属片尺寸变化带来的折射率变化更加的精准、平滑。通过不同尺寸的金属片实现任意折射率材料的构建，在一定程度上可以避免发泡法和打孔法中存在的介电常数公差难以控制、内部不易均匀、生产效率低、良品率低等问题。还有助于降低传统透镜天线的重量，有望显著增加天线的覆盖范围，从而大幅降低天线的建设成本。

对该人工介质透镜天线进行仿真测试，可获得如附图所示数据，其中，图5示出了该人工介质透镜天线的S参数，即在其工作范围1.7GHz-2.7GHz内各个频点的反射系数。由图4可知，在1.7GHz-2.7GHz内该人工介质透镜天线的反射系数都在-14dBi以下，有利于电磁波的传输。

图6a-图6d示出了该人工介质透镜天线在1.77GHz、1.9GHz、2.01GHz和2.6GHz频率时的辐射方向图，每个图中分别示出了垂直面(H_Plane)和水平面(E_Plane)的方向图，具体参数详见表1，可以看出该人工介质透镜天线在该四个频率时均具有较佳的信号辐射性能。

表1：

图7a-图7d示出了该人工介质透镜天线在1.77GHz、1.9GHz、2.01GHz和2.6GHz频率时的半功率波束宽度，由图可以看出该人工介质透镜天线在垂直面和水平面都保持了比较优秀的波束宽度，大约在20-35°。相比于可达到同样增益的传统阵列天线，该人工介质透镜天线的波束宽度是传统阵列天线的二到三倍，大大提高了天线的信号覆盖面。

图8示出了该人工介质透镜天线在在1.7GHz-2.7GHz内与馈源天线和理想龙伯透镜天线的增益对比图。由图可知，馈源天线的增益在7.5dBi左右，该实施例中人工介质透镜天线的增益与理想龙伯透镜天线的增益接近，为普通馈源天线提升了至少8dBi的增益，证明了该工艺的有效性。

在该实施例中，还给出了一种阵列天线，采用了上述人工介质透镜天线，包括一个支架和两个以上的人工介质透镜天线。如图5所示，该阵列天线包括一个支架6和三个人工介质透镜天线，该三个人工介质透镜天线的辐射源1的主辐射方向均不同，其中最上端天线的辐射源的主辐射方向朝向斜上方，居中天线的辐射源的主辐射方向朝向水平方向，最下端天线的辐射源的主辐射方向朝向斜下方。通过多个人工介质透镜天线的交叉组合可实现更宽角度的信号覆盖，提高应用场所的通信质量。当然，用户还可根据实际情况适量增减人工介质透镜天线的数量，以实现最佳的信号辐射效果。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种人工介质透镜天线，其特征在于，包括辐射源和分别设在其两侧的反射板及介质透镜；

所述介质透镜为表面印制有辐射体的介质基板经卷压而成的椭圆柱体，其长轴垂直于所述辐射源的主辐射方向，所述椭圆柱体由内至外共卷制有n层，所述辐射体在所述介质基板上的分布规律为：由内至外每层上的辐射体的大小和排布密度递减。

2.如权利要求1所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述辐射源包括四个对称的振子臂形成的电偶极子和振子臂下方的磁偶极子。

3.如权利要求2所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述振子臂为矩形环状结构。

4.如权利要求3所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述振子臂的至少一个角部为圆弧状。

5.如权利要求1所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述椭圆柱体的长短轴之比为1.25-2。

6.如权利要求1所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述辐射体的外形尺寸为0.06λ-0.15λ，λ为辐射入所述介质透镜内的电磁波的波长。

7.如权利要求6所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述辐射体为矩形环状结构。

8.如权利要求1所述的人工介质透镜天线，其特征在于，

所述介质透镜长轴的长度为2λ-2.5λ，λ为辐射入介质透镜内的电磁波的波长。

9.一种阵列天线，其特征在于，包括：

固定架；

两个以上的如权利要求1-8中任一项所述的人工介质透镜天线，所述人工介质透镜天线安装在所固定架上，且各个辐射源的主辐射方向不同。

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